Мембранный транспорт

редактировать

В клеточной биологии, мембранный транспорт относится к совокупности механизмов, регулирующих прохождение растворенных веществ, таким как ионы и малые молекулы через биологические мембраны, которые являются липидными бислой, которые содержат белки, встроенные в них. Регулирование прохождения через мембрану обусловлено избирательной проницаемостью мембраны - характеристикой биологических мембран, которая позволяет им разделять вещества различной химической природы. Другими словами, они могут быть проницаемыми для одних веществ, но не для других.

Движение большинства растворенных веществ через мембрану опосредуется мембранными транспортными белками, которые в той или иной степени специализируются на транспортировке определенных молекул. Поскольку разнообразие и физиология отдельных клеток тесно связаны с их способностью привлекать различные внешние элементы, постулируется, что существует группа специфических транспортных белков для каждого типа клеток и для каждой конкретной физиологической стадии [1]. Это дифференциальное выражение регулируется с помощью дифференциальной транскрипции из генов, кодирующих эти белки и его перевод, например, посредством генетических-молекулярных механизмов, но и на уровне клеточной биологии: производство этих белков могут быть активированы с помощью клеточных сигнальных путей, на биохимическом уровне или даже находясь в цитоплазматических пузырьках.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Справочная информация
  • 2 Термодинамика
  • 3 вида транспорта
    • 3.1 Пассивная диффузия и активная диффузия
    • 3.2 Активный и попутный транспорт
      • 3.2.1 Вторичные активные белки-переносчики
      • 3.2.2 Насосы
  • 4 Мембранная селективность
    • 4.1 Селективность электролита
    • 4.2 Селективность неэлектролитов
  • 5 Создание мембранных транспортных белков
  • 6 См. Также
  • 7 ссылки

Задний план

Термодинамически поток веществ из одного отсека в другой может происходить в направлении концентрации или электрохимического градиента или против него. Если обмен веществ происходит в направлении градиента, то есть в направлении уменьшения потенциала, нет необходимости в подаче энергии извне системы; если, однако, транспорт идет против градиента, это потребует ввода энергии, в данном случае метаболической энергии. Например, классическим химическим механизмом разделения, не требующим добавления внешней энергии, является диализ. В этой системе полупроницаемая мембрана разделяет два раствора с разной концентрацией одного и того же растворенного вещества. Если мембрана пропускает воду, но не растворенное вещество, вода будет перемещаться в отсек с наибольшей концентрацией растворенного вещества, чтобы установить равновесие, при котором энергия системы минимальна. Это происходит потому, что вода движется от высокой концентрации растворителя к низкой (с точки зрения растворенного вещества происходит обратное) и поскольку вода движется по градиенту, нет необходимости во внешнем подводе энергии.

Схема клеточной мембраны 1. фосфолипид 2. холестерин 3. гликолипид 4. сахар 5. политопный белок (трансмембранный белок) 6. монотопный белок (здесь гликопротеин) 7. монотопный белок, закрепленный фосфолипидом 8. периферический монотопный белок (здесь, гликопротеин.)

Природа биологических мембран, особенно липидов, является амфифильной, поскольку они образуют бислои, содержащие внутренний гидрофобный слой и внешний гидрофильный слой. Эта структура делает возможным транспорт путем простой или пассивной диффузии, которая состоит из диффузии веществ через мембрану без затрат метаболической энергии и без помощи транспортных белков. Если транспортируемое вещество имеет чистый электрический заряд, оно будет перемещаться не только в ответ на градиент концентрации, но также и на электрохимический градиент из-за мембранного потенциала.

Относительная проницаемость фосфолипидного бислоя для различных веществ
Тип вещества Примеры Поведение
Газы CO 2, N 2, O 2 Проницаемый
Маленькие незаряженные полярные молекулы Мочевина, вода, этанол Проницаемый, полностью или частично
Большие незаряженные полярные молекулы глюкоза, фруктоза Не проницаемый
Ионы К +, Na +, Cl -, HCO 3 - Не проницаемый
Заряженные полярные молекулы АТФ, аминокислоты, глюкозо-6-фосфат Не проницаемый

Поскольку немногие молекулы способны диффундировать через липидную мембрану, большинство транспортных процессов вовлекают транспортные белки. Эти трансмембранные белки обладают большим количеством альфа-спиралей, погруженных в липидный матрикс. У бактерий эти белки присутствуют в форме бета-пластинок. Эта структура, вероятно, включает канал через гидрофильную белковую среду, которая вызывает нарушение высокогидрофобной среды, образованной липидами. [1] Эти белки могут участвовать в транспорте разными способами: они действуют как насосы, управляемые АТФ, то есть за счет метаболической энергии, или как каналы облегченной диффузии.

Термодинамика

Физиологический процесс может иметь место только в том случае, если он соответствует основным термодинамическим принципам. Мембранный транспорт подчиняется физическим законам, которые определяют его возможности и, следовательно, его биологическую полезность. Общий принцип термодинамики, который регулирует перенос веществ через мембраны и другие поверхности, заключается в том, что обмен свободной энергии Δ G для переноса моля вещества с концентрацией C 1 из одного отсека в другой отсек, где он присутствует. в C 2:

Δ грамм знак равно р Т бревно C 2 C 1 {\ displaystyle \ Delta G = RT \ log {\ frac {C_ {2}} {C_ {1}}}}

Когда C 2 меньше, чем C 1, Δ G отрицательна, и процесс термодинамически благоприятен. Поскольку энергия передается из одного отсека в другой, за исключением случаев, когда вмешиваются другие факторы, равновесие будет достигнуто там, где C 2 = C 1, и где Δ G  = 0. Однако есть три обстоятельства, при которых это равновесие не будет достигнуто., обстоятельства, которые жизненно важны для функционирования биологических мембран in vivo:

  • Макромолекулы на одной стороне мембраны могут предпочтительно связываться с определенным компонентом мембраны или химически модифицировать его. Таким образом, хотя концентрация растворенного вещества может фактически быть разной на обеих сторонах мембраны, доступность растворенного вещества снижается в одном из отсеков до такой степени, что для практических целей не существует градиента для движения транспорта.
  • Мембранный электрический потенциал может существовать, которые могут влиять на распределение ионов. Например, для переноса ионов снаружи внутрь возможно, что:
Δ грамм знак равно р Т бревно C я п s я d е C о ты т s я d е + Z F Δ п {\ displaystyle \ Delta G = RT \ log {\ frac {C_ {inside}} {C_ {outside}}} + ZF \ Delta P}

Где F - постоянная Фарадея, а Δ P - мембранный потенциал в вольтах. Если Δ P отрицательно, а Z положительно, вклад члена ZFΔP в Δ G будет отрицательным, то есть он будет способствовать переносу катионов изнутри клетки. Таким образом, если поддерживается разность потенциалов, состояние равновесия Δ G  = 0 не будет соответствовать эквимолярной концентрации ионов с обеих сторон мембраны.

  • Если процесс с отрицательным Δ G связан с процессом транспортировки, то глобальное Δ G будет изменено. Эта ситуация типична для активного транспорта и описывается следующим образом:
Δ грамм знак равно р Т бревно C внутри C за пределами + Δ грамм б {\ displaystyle \ Delta G = RT \ log {\ frac {C _ {\ text {inside}}} {C _ {\ text {outside}}}} + \ Delta G ^ {b}}

Где Δ G b соответствует благоприятной термодинамической реакции, такой как гидролиз АТФ или совместный транспорт соединения, которое перемещается в направлении его градиента.

Виды транспорта

Пассивная диффузия и активная диффузия

Основная статья: Пассивный транспорт Полупроницаемая мембрана разделяет два отсека различных концентраций растворенных веществ: с течением времени, растворенное вещество будет диффундировать до тех пор, пока не достигается равновесие.

Как упоминалось выше, пассивная диффузия - это спонтанное явление, которое увеличивает энтропию системы и уменьшает свободную энергию. На транспортный процесс влияют характеристики транспортного вещества и природа бислоя. Скорость диффузии чистой фосфолипидной мембраны будет зависеть от:

  • градиент концентрации,
  • гидрофобность,
  • размер,
  • заряд, если у молекулы есть чистый заряд.
  • температура

Активный и попутный транспорт

Основная статья: Активный транспорт

При активном переносе растворенное вещество движется против концентрации или электрохимического градиента; при этом задействованные транспортные белки потребляют метаболическую энергию, обычно АТФ. При первичном активном транспорте гидролиз источника энергии (например, АТФ) происходит непосредственно для транспортировки рассматриваемого растворенного вещества, например, когда транспортные белки являются ферментами АТФазы. Когда гидролиз источника энергии является косвенным, как в случае вторичного активного транспорта, используется энергия, запасенная в электрохимическом градиенте. Например, при совместном переносе используются градиенты определенных растворенных веществ для переноса целевого соединения против его градиента, вызывая рассеяние градиента растворенных веществ. Может показаться, что в этом примере энергия не используется, но требуется гидролиз источника энергии для установления градиента растворенного вещества, переносимого вместе с целевым соединением. Градиент совместно транспортируемого растворенного вещества будет создаваться за счет использования определенных типов белков, называемых биохимическими насосами.

Открытие существования этого типа белка-переносчика произошло в результате изучения кинетики межмембранного транспорта молекул. Для некоторых растворенных веществ было отмечено, что скорость переноса достигла плато при определенной концентрации, выше которой не наблюдалось значительного увеличения скорости поглощения, что указывает на отклик типа логарифмической кривой. Это было интерпретировано как показ того, что транспорт опосредован образованием комплекса субстрат-переносчик, который концептуально аналогичен комплексу фермент-субстрат кинетики фермента. Следовательно, каждый транспортный белок имеет константу сродства к растворенному веществу, которая равна концентрации растворенного вещества, когда скорость переноса составляет половину его максимального значения. В случае фермента это эквивалентно константе Михаэлиса – Ментен.

Некоторыми важными особенностями активного транспорта, помимо его способности вмешиваться даже против градиента, его кинетики и использования АТФ, являются его высокая селективность и простота селективного фармакологического ингибирования.

Вторичные активные белки-переносчики

Унипорт, симпорт и антипорт молекул через мембраны.

Вторичные активные белки-переносчики перемещают две молекулы одновременно: одна против градиента, а другая - с его градиентом. Их различают по направленности двух молекул:

  • антипортер (также называемый обменником или контр-переносчиком): перемещает молекулу против ее градиента и в то же время перемещает один или несколько ионов по ее градиенту. Молекулы движутся в противоположных направлениях.
  • симпортер : перемещать молекулу против ее градиента, перемещая один или несколько различных ионов по их градиенту. Молекулы движутся в одном направлении.

Оба могут быть названы совместными перевозчиками.

Насосы

Упрощенная схема натрий-калиевого насоса, показывающая альфа- и бета-единицы.

Насос - это белок, который гидролизует АТФ, чтобы транспортировать конкретное растворенное вещество через мембрану, создавая при этом электрохимический градиент мембранного потенциала. Этот градиент представляет интерес как индикатор состояния клетки с помощью таких параметров, как потенциал Нернста. С точки зрения мембранного транспорта градиент представляет интерес, поскольку он способствует снижению энтропии системы при совместном транспорте веществ против их градиента. Одним из наиболее важных насосов в клетках животных является натриево-калиевый насос, который работает по следующему механизму:

  1. связывание трех ионов Na + с их активными участками на помпе, которые связаны с АТФ.
  2. АТФ гидролизуется, что приводит к фосфорилированию цитоплазматической стороны насоса, что вызывает изменение структуры белка. Фосфорилирование вызывается переносом концевой группы АТФ на остаток аспартата в транспортном белке и последующим высвобождением АДФ.
  3. изменение структуры в насосе приводит к выходу Na + наружу. Фосфорилированная форма насоса имеет низкое сродство к ионам Na +, поэтому они высвобождаются.
  4. как только ионы Na + высвобождаются, насос связывает две молекулы K + с их соответствующими сайтами связывания на внеклеточной поверхности транспортного белка. Это вызывает дефосфорилирование насоса, возвращая его в его предыдущее конформационное состояние, транспортируя ионы K + в клетку.
  5. Нефосфорилированная форма насоса имеет более высокое сродство к ионам Na +, чем ионы K +, поэтому два связанных иона K + выделяются в цитозоль. Связывается АТФ, и процесс начинается снова.

Мембранная селективность

Поскольку основной характеристикой переноса через биологическую мембрану является ее избирательность и ее последующее поведение в качестве барьера для определенных веществ, физиология, лежащая в основе этого явления, была тщательно изучена. Исследования селективности мембран классически подразделяются на исследования, касающиеся электролитов и неэлектролитов.

Селективность электролита

Ионные каналы определяют внутренний диаметр, который позволяет проходить небольшим ионам, что связано с различными характеристиками ионов, которые потенциально могут переноситься. Поскольку размер иона связан с его химическим составом, можно априори предположить, что канал, диаметр поры которого был достаточен для прохождения одного иона, также позволил бы переносить другие ионы меньшего размера, однако это не встречаются в большинстве случаев. Помимо размера, существуют две характеристики, которые важны для определения селективности пор мембраны: способность к дегидратации и взаимодействие иона с внутренними зарядами поры. Чтобы ион прошел через пору, он должен отделиться от молекул воды, которые покрывают его в последовательных слоях сольватации. Склонность к дегидратации или возможность сделать это связана с размером иона: более крупные ионы могут делать это легче, чем более мелкие, так что пора со слабыми полярными центрами будет предпочтительно пропускать более крупные ионы через ионную поверхность. поменьше. Когда внутренняя часть канала состоит из полярных групп боковых цепей составляющих аминокислот, взаимодействие дегидратированного иона с этими центрами может быть более важным, чем возможность дегидратации, для придания специфичности каналу. Например, канал, состоящий из гистидинов и аргининов с положительно заряженными группами, будет избирательно отталкивать ионы той же полярности, но будет способствовать прохождению отрицательно заряженных ионов. Кроме того, в этом случае самые маленькие ионы смогут более тесно взаимодействовать из-за пространственного расположения молекулы (стерильности), что значительно увеличивает заряд-зарядовые взаимодействия и, следовательно, преувеличивает эффект.

Неэлектролитная селективность

Неэлектролиты, вещества, которые обычно являются гидрофобными и липофильными, обычно проходят через мембрану путем растворения в липидном бислое и, следовательно, путем пассивной диффузии. Для тех неэлектролитов, чьи транспорт через мембрану, опосредованное с помощью транспортного белка способность к диффузному, вообще, в зависимости от коэффициента K раздела. Частично заряженные неэлектролиты, которые более или менее полярны, такие как этанол, метанол или мочевина, могут проходить через мембрану через водные каналы, погруженные в мембрану. Не существует эффективного механизма регуляции, ограничивающего этот транспорт, что указывает на внутреннюю уязвимость клеток к проникновению этих молекул.

Создание мембранных транспортных белков

Существует несколько баз данных, которые пытаются построить филогенетические деревья, детализирующие создание белков-переносчиков. Одним из таких ресурсов является база данных классификации транспортеров.

Смотрите также

Рекомендации

Последняя правка сделана 2024-01-02 06:34:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте